4G和5G频谱共享技术*

（中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

随着5G 部署的深入，存量4G 频段开始向5G 重耕[1]。4G 频段已经承载了部分4G 用户，如果5G 初期将某一4G 频段完全重耕为5G，则会带来一些问题。首先会减少4G 容量，给4G 用户体验造成影响，此外5G 初期用户少，将该4G 频段全部重耕为5G 后，频段利用率较低。

如果采用4G 和5G 频谱共享技术进行重耕，可以打破频谱之间的界限，实现RB 级频谱共享，提升频谱效率，利于4G 和5G 之间平滑演进。3GPP R15 为5G 标准首版本，R15 开始引入LTE/NR 共存，解决LTE/NR 频谱共享时存在的信道/ 信号冲突问题，定义了关键的协议要求，第一个版本于18 年6 月份冻结，R16 于2018 年6 月启动，对动态频谱共享的部分功能进行了增强。标准中动态频谱共享是基站和终端多种feature 的合集。本文在分析动态频谱共享的原理基础上，提供理论分析和实验室测试研究各个功能特性对于终端性能的影响，动态频谱共享对下行影响较大，对上行影响较小，解决同一种信道冲突不同功能的选择会对性能带来差异，同时频谱方案和基站通道数同样会带来性能差异，从而提出有效的落地实施方案，结合现网的情况给出了优化方法。

1 频谱共享原理

频谱共享存在两种方式，分别为载波级频谱共享和TTI 级动态频谱共享（DSS）。载波级频谱共享为4G 和5G 在同一时刻无重叠的频谱，在一定的周期内频谱配置相同。TTI 级动态频谱共享是同一时刻4G 和5G 有频谱重叠区，分为频谱重叠和频谱包含两种情况，频谱配置情况可TTI 级改变，频谱利用更加灵活。

1.1 载波级共享

载波级共享是通过一定时间内调整4G 和5G 的带宽来达到频谱共享。以100 MHz 带宽，100 MHz 5G 配置3 个4G 载波为例进行说明。对于5G 侧可以通过BWP机制自适应调整可用带宽（40 MHz 或60 MHz 等），对于4G 载波可以开闭4G 载波实现频谱配置，当载波打开时对应频谱被4G 专用，当载波关闭时，载波对应频谱被5G 专用。如图1 所示、图2 所示：

图1 4G载波全部打开的频谱配置

图2 关闭一个4G载波的频谱配置

通过统计4G 和5G 的负载信息，当4G 资源需求大的时候，开启3 个载波，5G 给终端配置除4G 外的专用40 MHz 的BWP。如果发现4G 资源利用率降低，可以关闭一个4G 载波，将频谱资源留给5G，此时5G 给终端配置除4G 外的专用60 MHz 的BWP，如果发现业务量发生变化，可继续进行开闭4G 载波，以达到频谱的动态利用的效果，合理分配频谱资源。

该方式可采用X2，F1接口实现4G 和5G 间调度信息的交互，不需要终端功能的支持即可实现。

1.2 TTI级DSS

通过物理层协议避开4G 和5G PRB 级干扰，实现TTI 级的动态调度PRB 资源。下面将介绍在下行和上行中信道冲突的解决方法[2]。

（1）下行

图3 为5G 的典型信道配置：

图3 5G的典型信道配置

其中：

1）PDSCH：物理下行共享信道，用于业务数据传输；

2）PDCCH：下行控制信道，承载控制信息，时域最大三个符号；

3）DMRS：解调参考信号，用于下行解调，与业务频谱重叠；

4）SSB：主同步信号、辅同步信号、PBCH 共同构成一个SSB。SSB 在时域上共占用4 个OFDM 符号，频域共占用240 个子载波（20 个PRB）。

图4 为4G 典型信道配置：

图4 4G典型下行信道配置

其中：

1）PBCH：广播信道，承载的是小区ID 等系统信息，用于小区搜索过程。

2）PDSCH：物理下行信道，承载的是下行用户的业务数据。

3）PDCCH：下行控制信道，传送用户数据的资源分配的控制信息。

4）PCFICH：物理控制格式指示信道，指明了控制信息所在的位置。PCFICH 是4G 的OFDM 特性强相关的信道，承载的是控制信道在OFDM 符号中的位置信息。

5）PHICH：物理HARQ 指示信道，承载的是混合自动重传（HARQ）的确认/非确定（ACK/NACK）信息。

6）CRS：最基本的下行参考信号，用于信道估计或者解调。

7）CSI-RS：用于信道估计，引进CSI-RS，只针对CSI，更加灵活，使用更少的时频资源和头开销。

当4G 和5G 需要进行PRB 级的频谱共享时，会产生信道冲突，主要是4G 与5G PDCCH 的冲突、4G 与5G SSB 的冲突、4G 与5G PDSCH 的冲突、4G 对5G CSIRS 的冲突、5G 对4G PSS/SSS/PBCH 的冲突。基站和终端需要应用DSS 功能进行信道冲突解决，在2.1 节详述。

（2）上行

上行5G 典型上行信道如图5 所示：

图5 5G典型上行信道

其中：

1）PUCCH：上行控制信道，除公共PUCCH 以外，其余的PUCCH 可不必在两边部署；

2）PRACH：随机接入信道，最短周期10 ms，频域占用6 个RB；

3）SRS：探测参考信号，用于估计上行信道，可频分、码分、时分，5G 的SRS 不局限于配置在最后一个符号；

4）DMRS：解调参考信号，伴随着PUCCH 和PUSCH 的传输。

4G 典型上行信道如图6 所示：

图6 4G典型上行信道

4G 与5G 的PRACH、PUCCH、PUSCH、全部采用频分方式部署，4G 与5G 的SRS 采用时分方式避让，5G的终端需要支持上行7.5 kHz 偏移。

2 TTI级DSS性能分析

2.1 功能影响

图7 中红色框线给出了4G 和5G 各种下行信道之间的冲突，虚线里为DSS 相关的功能，相同颜色的线代表对应的信道冲突和使用DSS 功能的解决方案，下面列出了会带来的下行性能影响。

2.2 功能选择建议

（1）5G SSB 与4G CRS 的信道冲突功能特性选择

在5G SSB 与4G CRS 的信道冲突中，有以下三种解决方案，两种是4G 侧实施，分别是4G MBSFN 子帧方案和4G CRS 打孔方案，一种是5G 侧实施，即5G SSB打孔方案。

1）方案一：4G MBSFN 子帧

在5G 发送SSB 的子帧4G 采用MBSFN 子帧，4G 可以不发送CRS，只需要1～2 个符号发送PCFICH、PHICH和PDCCH。按照目前DSS 的配置，SSB 周期20 ms，再考虑msg2msg4 接入预留，在20 ms 内至少需要配置3个MBSFN 子帧。

MBSFN 子帧不能调度4G 的msg2msg4，可能导致4G 的接入时延变大（2～4 ms）。其次考虑现网TM9 终端渗透率较低，MBSFN 子帧基本只能调度5G，4G 固定容量损失至少15%。M 子帧不是很灵活，一旦配置，则某个子帧将一直都是MBSFN 子帧，不可灵活更改属性。该方案对5G 下行业务无影响。

2）方案二：4G CRS 打孔

图7 4G和5G各种信道冲突的解决方法和影响

4G 基站在SSB 位置主动打孔4G 的CRS，不发送CRS。4G 打孔CRS 对4G 下行有影响，带来的额外的容量损失。相比于差点终端，对处于好点的4G 终端产生的容量影响更大，打孔的RB 数越多，对容量的影响越大，对5G 下行业务无影响。

3）方案三：5G SSB 打孔

5G 基站在4G 的CRS 的位置主动打孔。4G 2Port 下，符号4/7/11 的部分频段打孔，5G 的PSS 和SSS 均不受到4G CRS 的干扰，PBCH 会受到干扰。4G 4Port 下，会对符号4/7/8/11 部分频段打孔，5G 的PSS 和PBCH 受到4G CRS 的干扰，SSS 不受4G CRS 的干扰，对4G 下行业务无影响。

为了得出两种打孔方案的定量影响，对4G CRS 打孔和5G SSB 打孔进行性能的测试验证，以中国联通频段做测试，表1 是测试配置：

表1 测试配置表

在4G 和5G 共享的条件下分别做LTE CRS 打孔和NR CRS 打孔操作，对性能影响进行定量的分析。因为都是对下行产生影响，对上行无影响，因此做的只是下行数据业务，测试结果如表2 所示：

表2 测试结果

测试中选取的是LTE 和NR 的好点，对于LTE 系统而言，使用LTE CRS 打孔比不打孔的时候速率下降2 Mbit/s，容量损失1%；对NR 系统而言，NR CRS 打孔比不打孔的时候速率下降1 Mbit/s，容量损失0.6%。整体来说性能影响较小。

综合考虑各方案的影响，现网4G TM9 终端占比较低，对于TM9 以下终端MBSFN 子帧方式容量损失较大，同时配置M 子帧不是很灵活。4G 打孔方式会带来现网终端影响，对好点用户影响更大，5G SSB 打孔对5G 终端产生影响，可根据现网用户和5G 用户保障的优先级选择5G SSB 打孔或4G CRS 打孔的方案。

（2）4G CRS 与5G PDSCH 信道冲突功能特性选择

在4G CRS 与5G PDSCH 信道的干扰中，最佳解决方案是采用RE 级速率匹配，在4G CRS 位置，5G 主动绕开这些位置不发送PDSCH 数据，避免干扰。如果终端不支持该功能，可以采用RB 符号级速率匹配，5G 在对应的RB 符号不发送数据，相对于RE 符号级速率匹配，5G 的开销增加。如果终端仍不支持RB 符号级速率匹配，可以采用ZP CSI-RS 的方式，5G 在4G CRS 的位置配置ZP CSI-RS，则5G 终端不会再解对应位置的数据。5G 终端默认支持5G ZP-CSI-RS，但是需要多组CSI-RS 以匹配4G-CRS RE，开销高，需要手动设计和预配置，不灵活。

2.3 性能分析

为了相互避让控制信道和参考信号，在没有任何4G终端接入时，5G 终端在共享谱内会大幅的性能损失。在没有任何5G 终端接入时，4G 终端在共享谱内会有少量的性能损失。本小节对于容量的性能损失进行测算，以中国联通的4G 2.1 G 重耕为例，2.1 GHz 带宽为20 MHz，随着与电信的共建共享2.1 GHz 带宽拓展为40 MHz，针对于中国联通，不同的情况下会存在以下两种带宽组合，20 MHz 4G+20 MHz 5G 是在5G 载波不共享的情况使用，20 MHz 4G+40 MHz 5G 是在5G 载波共享的情况使用，对每种带宽组合的损失情况进行了测算，见表3。

频谱重叠时，20 MHz 4G+20 MHz 5G，4G 2Port 和4Port 的容量损失如表3 所示，以时域20 ms、频域20 MHz带宽来测算：

表3 20 MHz 4G+20 MHz 5G时DSS带来的容量损失

频谱包含时，由于4G 下行无需避让5G，5G 的RMSI 和SSB 承载在5G 的独享谱内，4G 损失开销可以降为0。以时域20 ms，频域20 MHz 带宽来测算，20 MHz 4G+40 MHz 5G 的结果如表4 所示：

表4 20 MHz 4G+40 MHz 5G时DSS带来的容量损失

3 频谱共享实施方案

3.1 频谱共享方案选择

载波级频谱共享可以通过X2进行4G 和5G 之间的调度信息交互，解除了4G 和5G 需同框部署的限制，部署起来方式更加灵活，同时对终feature 没有要求；但该方式是通过开闭4G 载波实现带宽的调整，频谱分配不够灵活，并且需要考虑载波关闭后的用户迁移问题。

TTI 级DSS 调度需要4G 和5G 同框部署，并通过私有协议进行4G 和5G 之间的调度信息交互，才能保证时延满足TTI 级调度，同时对终端feature 有要求。

40 MHz 5G+20 MHz 4G 和20 MHz 5G+20 MHz 4G情况，如果采用载波级频谱共享，由于切分出来的4G 小于20 MHz，还需要现网改造，改变邻区配置，建议采用TTI 级DSS 的方式实现。

3.2 频谱共享硬件配置

5G 与4G 的频谱共享最有可能采用的跨板、跨框等方式，载波级共享与TTI 级DSS 的配置要求不同。

载波级共享4G 与5G 的基带板可以同厂家或异厂家。对于同厂家的情况，5G 与4G 可部署在同一个BBU 机框的两个槽位，也可以4G 和5G 部署于两个不同机框，可采用内部私有协议交互。对于异厂家的情况，5G 与4G基带板部署在不同机框，采用公共协议交互调度信息。

TTI 级DSS 要求4G 和5G 基带板同厂家，并部署在同一机框，采用私有协议交互，才能保证交互时延小于1 ms。

3.3 TTI级DSS通道配置

5G 配置2 port 和4 port 对4G 容量影响较小。4G 基站配置4port 的CRS，4G 本身CRS 开销增大，DSS 下5G 需要避让的CRS 增多，导致5G 损失更大。

5G 建议配置4 端口，4R 终端下行最大可以到4 流（基站CRS 4port），流量相比2 端口时增加100%。如现网内4R 终端占比较少，建议4G 配置2port；否则可以配置4port。

3.4 TTI级DSS频谱配置

通过对比20 MHz 4G+20 MHz 5G、20 MHz 4G+40 MHz 5G 两种配置的4G 和5G 的容量损失，20 MHz 4G+20 MHz 5G 和4G 的性能损失最大，20 MHz 4G+40 MHz 5G 中4G和5G 的性能损失最小。

建议在频段允许条件下实施大带宽40 MHz 的动态频谱共享，优先40 MHz 5G+20 MHz 4G 的频谱配置方式。

3.5 TTI级DSS功能建议

在实现全动态频谱共享下，为现网4G 用户性能不受影响，同时减小对5G 的性能的影响，建议基站必须支持以下feature：

（1）5G 支持针对4G C_RS 的速率匹配；

（2）5G 支持正常的速率匹配（RB,符号）；

（3）4G 和5G 支持ZP CSI_RS；

（4）5G 专用业务PDSCH 支持TypeB；

（5）5G 支持addtional DMRS 与4G CRS 的冲突解决；

（6）4G 支持MBSFN 子帧；

（7）5G 支持SSB 打孔；

（8）4G 支持CRS 打孔。

对于终端，需要支持以下功能：

（1）支持针对4G C_RS 的速率匹配；

（2）支持正常的速率匹配（RB，符号）；

（3）UE 专用业务PDSCH 支持TypeB；

（4）支持addtional DMRS 与4G CRS 的冲突解决。

4 全动态频谱共享案例

在2.1 GHz 的20 MHz 带宽上，传统的重耕方案是10 MHz 用于5G，10 MHz 用于4G，如果使用全动态频谱共享，则5G 和4G 的RB 资源可动态共享，避免了静态配置，RB 资源未充分利用的情况。目前实施方案中多选择20 MHz LTE/NR 4T 的实现方式，本文对不同通道数的DSS 增益进行了实验室测试，网络架构5G 为NSA，可见基站采用4T 大幅相对于2T 时增益减少，因此在实施中建议采用2T 的配置。如果2.1 GHz 带宽可进一步拓展，建议采用该频谱包含的方式实现动态频谱共享，可以进一步提高NR 的增益。

使用DSS 前后的增益如表5 所示：

表5 使用DSS前后的增益

5 结论

本文分析了频谱共享技术原理，基于理论测算和实验室测试得出了其技术特性对终端性能定性和定量的影响。动态频谱共享对下行影响较大，其中对LTE 的影响较小，对NR 的影响较大，同时基站采用2 端口比采用4端口NR 性能更优，采用频谱包含的方案可进一步降低LTE 容量损失，因此基于功能和配置性能的分析，从实施角度提出了硬件配置方案、通道配置方案、频谱配置方案，并提出了基站和终端的功能建议，用以改善现网性能。